Carnot bataryaları

Carnot bataryaları, elektriği ısıl enerji deposunda depolayan bir tür enerji depolama sistemidir. Şarj işlemi sırasında elektrik ısıya dönüştürülerek ısı deposunda depolanır. Deşarj işlemi sırasında depolanan ısı tekrar elektriğe dönüştürülür.

Ek olarak, "Marguerre" bu teknolojinin konseptini yaklaşık 100 yıl önce patentlemiştir, ancak, bu konseptin gelişimi, yenilenebilir kaynaklar tarafından sağlanan enerjinin payını artırmak için yakın zamanda yeniden canlandırılmıştır. Öte yandan, "Andre Thess" Carnot Bataryası terimini 2018'de Carnot Bataryaları üzerine ilk Uluslararası Çalıştay'dan önce bulmuştur.

"Carnot bataryası" terimi, ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmenin maksimum verimini tanımlayan Carnot teoreminden gelmektedir. "Batarya" kelimesi, bu teknolojinin amacının elektrik depolamak olduğunu belirtmektedir. Carnot bataryalarının deşarj verimliliği, Carnot verimi ile sınırlıdır.

Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR) ve Stuttgart Üniversitesi, 2014 yılından bu yana yüksek sıcaklıkta ısı depolamada elektrik depolayan Carnot bataryaları konsepti üzerinde çalışmaktadır. 2018 yılında, DLR tarafından dünyanın en büyük ticaret fuarlarından biri olan Hannover Messe'de "Carnot bataryası" terimi kullanılmıştır ve sıvı hava enerji depolama gibi yıllardır geliştirilen teknolojileri kapsamaktadır.

Düşük karbonlu enerji sistemlerine geçişte, elektrik enerjisi sistemlerinde değişken yenilenebilir enerjinin penetrasyonu artmakta, bu da enerji depolama ihtiyacını artırmaktadır. Şu anda, yeni kurulan enerji depolama kapasitesinin çoğu, lityum iyon piller gibi elektrokimyasal bataryalardan (pillerden) oluşmaktadır. Bu tip piller kısa süreli depolamaya uygundur ama yüksek enerji kapasitesi maliyetleri nedeniyle daha uzun süreler için ekonomik olmayabilir.

Sistem konfigürasyonu
Bir Carnot bataryası sistemi üç bölüme ayrılabilir: Güçten Isıya (P2T: Power to thermal), Isıl Enerji Depolama (TES: Thermal energy storage) ve Isıdan Güce (T2P:Thermal to Power).

Elektrikten ısıya teknolojisi

Elektrik, çeşitli teknolojiler kullanılarak ısıya dönüştürülebilir.
Diğerleri: Sıvı hava enerji depolama sistemlerinde, Claude Çevrimi havayı sıvılaştırmak için kullanılır. Lamm – Honigmann prosesi, gücü ısıya dönüştürmek için termokimyasal çevrimleri kullanır.

Isıl enerji depolama

Isıyı depolama mekanizmasına göre, ısıl enerjinin depolaması üç tipte olabilir: duyulur ısı depolama, gizli ısı depolama ve termokimyasal depolama. Carnot pilleri için kullanılan depolama materyalleri şunlardır:

Sıcak su
Eriyik tuz
Paket kayaçlar
Sıvı hava
Gizli ısı ısıl enerji depolama
Termokimyasal materyaller (kimyasal çiftler), LiBr/H2O and H2O/NH3 gibi

Isıdan elektriğe

Isı, Rankine çevrimi veya Brayton çevrimi gibi termodinamik çevrimlerle güce dönüştürülebilir. Bazı teknolojiler, ısıyı elektriğe dönüştürmek için yarı iletken malzemelerin özelliğini kullanır ve bunlar bir Carnot pili olarak kabul edilmez, çünkü termoelektrik malzemeler ve "Kutudaki Güneş" gibi dönüştürme prosesinde hiçbir termodinamik çevrim bulunmamaktadır. Tipik teknolojiler:
Isı motoru
Buhar türbini
Gaz türbini
Organik Rankine çevrimi makinaları
Lamm–Honigmann prosesi termokimyasal depodaki depolanmış enerjiyi elektriğe çevirebilir.

Alanın serbest seçimi;
Küçük çevresel ayak izi;
Ömür beklentisi 20-30 yıl;
İsteğe bağlı düşük maliyetli yedekleme kapasitesi;
Fosil yakıtlı kısmi yüklerde kullanılan bir elektrik santralinin bileşenleri, Carnot bataryalarını oluşturmak için kısmen yeniden kullanılabilir;

Bu teknolojinin en büyük dezavantajı:

Sınırlı şarj-deşarj verimliliği (roundtrip efficiency) 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑, deşarj sırasında üretilen elektriği 𝑾𝒅𝒊𝒔, sistemi şarj etmek için gereken elektrikle 𝑾𝒄𝒉𝒂𝒓 ilişkilendirir. Bu arada, Carnot bataryaları, hidroelektrik pompalı depolama veriminden (%65-85) daha düşük olan %40-70 verimliliği hedeflemektedir.

Uygulama
Carnot bataryaları, değişken yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen fazla gücü depolamak ve gerektiğinde elektrik üretmek için şebeke enerji depolaması olarak kullanılabilir.

Bazı Carnot bataryası sistemleri, depolanan ısıyı veya soğuğu, bölgesel ısıtma ve veri merkezleri için soğutma gibi diğer uygulamalar için kullanabilir.

Carnot bataryaları, mevcut kömürlü termik santralleri, kömür yakıtlı kazanı değiştirerek fosil yakıtsız bir üretim sistemine dönüştürmek için bir çözüm olarak önerilmiştir. Elektrik üretim sistemleri ve iletim sistemleri gibi santrallerdeki mevcut tesisler kullanılabilir.

Carnot bataryası projelerinin listesi
Carnot bataryası terimi yeni olmasına rağmen, mevcut birçok teknoloji Carnot pili (bataryası) olarak sınıflandırılabilir.
Pompalı ısı enerjisi depolama: Malta Inc., University of Durham
Elektrik termal enerji depolama: Siemens Gamesa, National Renewable Energy Laboratory
Tersinir ısı pompası / ORC: University of Liège
Lamm-Honigmann enerji depolama: Technical University of Berlin

Kaynakça